台式钻床的数控改装方案和单片机系统设计(编辑修改稿)

台式钻床的数控改装方案和单片机系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

多企业采用自动机床、组合机床和专用机床组成自 动或半自动生产线。 但是，采用这种自动、高效的设备，需要很大的初期投资以及较长的生产准备周期，只有在大批量的生产条件（如汽车、拖拉机、家用电器等工业主要零件的生产） 下，电子电器 才会有显著的经济效益。 立式钻床数控化改造的市场 机床的数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预订的加工工艺目标。 数控机床是综合了微电子、自动控制、自动检测等先进技术的新型机床，适宜加工单件或小批 量、高精度、品种多、生产周期要求短的零件。 当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，所以能很好地满足产品频繁变化的加工要求。 劳动量大大减少，降低了工人的劳动强度。 虽然数控机床的优势很大，但是对于制造企业，单纯地靠购买数控机床来解决现状，一方面需要大量的资金投人，另一方面，将原有的普通机床闲置，势必造成一种浪费。 众所周知，制造业是我国国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的中坚力量。 我国制造业水平与西方发达国家相比，总体水平偏低，企业经济实力有待进一步提高。 因此为了节约资金、降 低成本，在原来普通机床的基础上，进行数控化改造，是一种一举两得的有效途径，既经济又快捷 .。 9 机床数控化改造的市场 我国目前机床总量 约为 400 万台，而其中数控机床总数只有 万台，即我国机床数控化率不到 4％。 近 10年来，我国数控机床年产量约为 ～ 万台，年产值约为 18 亿元。 机床的年产量数控化率为 6％。 我国机床役龄 10 年以上的占60％以上； 10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20％， FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60％以上）。 装备水平不高，更新速度低是制约我国经济发展的重要原因之一。 我国 大多数制造行业 使用的装备是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10年以上的旧机床。 用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长 等缺点 ，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力 ， 直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。 所以必须大力提高机床的数控化率。 立式钻床简介 Z5140A 钻 床 （如图 ）是由辽宁省丹东市机床有限责任公司研发、生产幷销售的立式钻床，具有精度高，刚性好，扭矩大，噪声低，变速范围广等优点，操作集中，使用维修方便。 机床具有攻丝自动反转机构，主攻丝可实现自动正反转，对于盲孔和定深孔攻丝极为方便。 多年来 Z5140A 型立式钻床凭借其极高的适用范围和性价比，在国内钻床销售市场占有很大的比例。 10 图 立式钻床 床数控化改造的内容及优缺点 数控化改造的内容 立式钻 床数控化改造主要内容有以下几点： （ 1） 对立式钻 床 精度的 恢复 以及 对 钻床 存在的故障部分进行诊断并恢复； （ 2）数控 化 改造 ，在 原立式钻 床上加数显装置，或数控系统，改造成 NC 机床； 11 （ 3） 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对 立式钻 床机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新； （ 4）技术更新或技术创新，为提高性能或档次，满足新工艺、 新技术 的要求 ，在原有 立式钻 床基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高 加工 水平和档次。 立式钻床 数控化改造的优缺 点 （ 1）减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省 60％～ 80％的费用，改造费用低。 只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。 （ 2） 机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的 立式钻床 床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的 钻床 性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。 但是受到原来 立式钻床 机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 （ 3）对 设备 掌握熟悉 、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。 改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。 改 造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 （ 4） 可充分利用现有的条件 12 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 2 主传动系统的设计 一般钻床数控系统改造的总体方案的应包括以下内容： Z 向步进电机与进给滚珠丝杠的联结，滚珠丝杠支承结构选择等；电主轴选用，冷却与润滑； Z向进给滚珠丝杠副的计算与校核。 然后根据设计任务、机床实际情况和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。 立式钻床数控化改造设计任务 立式钻床进给伺服系统设计计算： 此处为数控钻床机械部分改造设计，包括脉冲当量的确定、滚珠丝杠螺母副的设计、进给伺服系统的传动计算；伺服电机的计算和选用；设计并绘制床示意图，还有数控化改造的装配图。 (1)技术要求： 工作台重量： 80kg 工件最大重量 :150kg 机床定位精度 : 机床重复定位精度 : 177。 工作台进给速度 : 1～ 400mm/min 工作最快移动速度 : maxV 10m/min 13 X轴行程 : 600mm Y轴行程 : 600mm Z轴行程： 500mm 工作台尺寸为： 1200179。 600 钻孔直径 d=Φ 20mm； 进给量 f=； 主轴 行程 L=1200mm。 步距角  =；脉冲当量  =；启动加速时间 T=25ms。 (2)机床坐标设定 本机床使用 X 轴、 Y轴和 Z 轴组成的直角坐标系进行定位和插补运动。 其中，X轴为钻床平面的左右方向， Y 轴为钻床平面的前后 方向， Z轴为主轴的上下方向。 总体方案的确定 Z 向步进电机与进给滚珠丝杠的联结 数控机床的进给机构，采用伺服电机或步进电机与滚珠丝杆连接。 一般采用连轴器直连，齿形同步带连接或 运用齿轮相连。 在许多场合，因结构上的限制。 特别是才用的伺服电机或混合式步进电机后，连轴器直连便成为电机与滚珠丝杆最为常见的的连接方法。 由于数控机床进给机构速度快，如快进，快退的速度有是高速达 20M/MIN 以上，在整个过程中正反转换频繁。 连轴器承受的瞬间冲击较大，容易引起连轴器松动和扭转，随使用时间的增长，其松动和扭转的 情况加剧。 实际加工时主要表 14 现为各方向运动正常，编码器反馈也正常，系统无报警，而运动却始终无法与指令值相符，加工误差越来越大，甚至造成加工零件的报废。 出现这种情况时，建议检查一下连轴器。 连轴器按结构可分为刚性连轴器和绕性连轴器两种形式，可按其结构分别加以处理。 （ 1） 刚性连轴器 刚性连轴器目前主要采用连轴套和锥销的连接方法，而且大多进给电机轴上都备有平键。 这种连接经过一段时间使用圆锥销开始松动，键槽侧面的间隙逐渐增大，有时甚至引起锥销脱落，造成加工零件尺寸不稳定，解决的方法有两种： ① 采用特制的小头带有螺纹的圆锥销，用螺母加弹性垫片锁紧，防止圆锥销因快速转换而引起的松动。 该方法能很好 的解决圆锥销松动的问题。 弹性销具有一定的弹性，能分解部分平键承受的饿的扭矩。 当然这种方法因圆锥销小头有螺母，必须确保连轴器有一定的回转空间。 ② 采用一大一小的弹性销取代圆锥销连接，这种方法虽没有用圆锥销的连接的精度高，但能很好的解决圆锥销松动问题，弹性销具有一定的弹性，能分解部分平键的扭矩，而且结构紧凑，装配也十分方便。 经在维修中应用，效果很好，但装配时要注意，大小弹性要求互成 180 度装配，否则会影响零 件加工的精度。 （ 2）绕性连轴器 绕性连轴器是数控机床广泛采用的连轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象。 在结构容许的情况下，大部分数控机床的伺服进给机构都 15 采用绕性连轴器。 但绕性连轴器装配是很难把握锥套的松紧，如果锥形套涨开后的摩擦力不足，就使丝杆轴头与电机轴头之间产生相对的滑移扭转，造成 数控机床工作运行中，被加工零件的尺寸呈现有规律的逐渐变化（有大变小或由小变大—— ，每次的变化基本是恒定的。 如果调整机床快速移动速度后，这。